La gran crisis de los chips amenaza la promesa de la Ley de Moore

Montaje de sala limpia ASML

Esta máquina de litografía ultravioleta extrema permite a los fabricantes fabricar chips de vanguardia con características de unos pocos nanómetros de tamaño. ASML



Un año después de la pandemia de covid-19, Apple conmemoró la creciente gama de dispositivos con su chip M1 personalizado con bombos y platillos, incluido un Anuncio de misión inverosímil en la televisión que muestra a un joven corriendo por los tejados de su campus de naves espaciales en Cupertino e infiltrándose en las instalaciones para robar el innovador microprocesador de una MacBook y colocarlo dentro de un iPad Pro.

El chip de diseño personalizado de Apple es el último triunfo para Ley de Moore , la observación se convirtió en la profecía autocumplida de que los fabricantes de chips pueden duplicar la cantidad de transistores en un chip cada pocos años. El M1 contiene 16 mil millones de transistores en un microprocesador del tamaño de un sello postal grande. Es una maravilla de la destreza de fabricación de semiconductores de hoy.



El problema del cambio

Esta historia fue parte de nuestra edición de julio de 2021



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Pero mientras Apple celebraba el M1, el mundo se enfrentaba a una situación económicamente devastadora. escasez de microchips , particularmente los relativamente baratos que hacen posibles muchas de las tecnologías actuales.

Los fabricantes de automóviles han estado cerrando líneas de ensamblaje y despidiendo trabajadores porque no pueden obtener suficientes chips de $ 1. Los fabricantes han recurrido a construir vehículos sin los chips necesarios para los sistemas de navegación, los espejos retrovisores digitales, las pantallas táctiles y los sistemas de administración de combustible. En general, la industria automotriz mundial podría perder más de $ 110 mil millones a la escasez en 2021.

También se ha desacelerado la producción de teléfonos inteligentes, computadoras portátiles, consolas de videojuegos, televisores e incluso electrodomésticos inteligentes, todo debido a la falta de microchips baratos. Su uso es tan esencial y tan extendido que algunos observadores piensan que la crisis de los chips podría amenazar la recuperación económica mundial de la pandemia.



La escasez mundial pone de relieve la capacidad de la industria de los semiconductores para ofrecer microchips más baratos y potentes. La promesa de larga data de chips con cada vez más capacidades inspiró a ingenieros, programadores y diseñadores de productos a crear generaciones de nuevos productos y servicios. La Ley de Moore ha sido más que un simple mapa de ruta para la industria de los semiconductores: ha regido el cambio tecnológico durante el último medio siglo.

Ahora esa promesa de más poder de cómputo en todas partes se está desmoronando, pero no porque los fabricantes de chips finalmente se hayan topado con los límites físicos de la tecnología para fabricar transistores cada vez más pequeños. En cambio, los costos crecientes de mantener la Ley de Moore han fomentado la consolidación entre los fabricantes de chips y creado más cuellos de botella en el negocio inmensamente complejo de la producción de chips.

A pesar de que los microchips se han vuelto esenciales en tantos productos, su desarrollo y fabricación han llegado a estar dominados por un pequeño número de productores con capacidad y apetito limitados para producir los chips básicos que son un elemento básico para las tecnologías actuales. Y debido a que la fabricación de chips requiere cientos de pasos de fabricación y meses de tiempo de producción, la industria de los semiconductores no puede girar rápidamente para satisfacer el aumento de la demanda provocado por la pandemia.



Después de décadas de preocupación acerca de cómo crearemos características tan pequeñas como unos pocos nanómetros en obleas de silicio, el espíritu de la Ley de Moore, la expectativa de que los chips baratos y potentes estarán fácilmente disponibles, ahora se ve amenazado por algo mucho más mundano: inflexible. cadenas de suministro.

Una frontera solitaria

Hace veinte años, el mundo tenía 25 fabricantes que fabricaban chips de última generación. Hoy solo Compañía de fabricación de semiconductores de Taiwán (TSMC) en Taiwán, Intel en los Estados Unidos, y Samsung en Corea del Sur tenemos las instalaciones, o fábricas, que producen los chips más avanzados. E Intel, líder en tecnología durante mucho tiempo, está luchando por mantenerse al día, ya que repetidamente no cumplió con los plazos para producir sus últimas generaciones.

Una de las razones de la consolidación es que la construcción de una instalación para fabricar los chips más avanzados cuesta entre 5.000 y 20.000 millones de dólares. Estas fábricas fabrican chips con características tan pequeñas como unos pocos nanómetros; en la jerga de la industria se denominan nodos de 5 nanómetros y 7 nanómetros. Gran parte del costo de las nuevas fábricas se destina a la compra de los últimos equipos, como una herramienta llamada litografía ultravioleta extrema (EUV) máquina que cuesta más de $ 100 millones. Fabricadas únicamente por ASML en los Países Bajos, las máquinas EUV se utilizan para grabar patrones de circuitos detallados con características de tamaño nanométrico.



Los fabricantes de chips han estado trabajando en la tecnología EUV durante más de dos décadas. Después de miles de millones de dólares de inversión, las máquinas EUV se usaron por primera vez en la producción de chips comerciales en 2018. Esa herramienta tiene 20 años de retraso, 10 veces más de lo presupuestado, porque es increíble, dice David Kanter, director ejecutivo de un consorcio de ingeniería abierto centrado en el aprendizaje automático. Es casi mágico que incluso funcione. Es totalmente como ciencia ficción.

Tal esfuerzo gigantesco hizo posible crear miles de millones de pequeños transistores en el chip M1 de Apple, que fue fabricado por TSMC; se encuentra entre la primera generación de chips de vanguardia que confía completamente en EUV.

Solo las compañías tecnológicas más grandes están dispuestas a pagar cientos de millones de dólares para diseñar un chip para nodos de vanguardia.

Pagar por los mejores chips tiene sentido para Apple porque estos chips se incluyen en los últimos modelos de MacBook y iPhone, que se venden por millones a precios de marcas de lujo. La única empresa que en realidad está usando EUV en gran volumen es Apple, y venden teléfonos inteligentes de $ 1,000 por los cuales tienen un margen increíble, dice Kanter.

No solo son costosas las fábricas para fabricar tales chips, sino que el costo de diseñar los circuitos inmensamente complejos ahora está fuera del alcance de muchas empresas. Además de Apple, solo las empresas tecnológicas más grandes que requieren el mayor rendimiento informático, como Qualcomm , AMD , y nvidia , están dispuestos a pagar cientos de millones de dólares para diseñar un chip para nodos de vanguardia, dice Sri Samavedam, vicepresidente senior de tecnologías CMOS en Imec, un instituto de investigación internacional con sede en Lovaina, Bélgica.

Muchas más empresas están produciendo computadoras portátiles, televisores y automóviles que utilizan chips fabricados con tecnologías más antiguas, y un aumento en la demanda de estos está en el centro de la actual escasez de chips. En pocas palabras, la mayoría de los clientes de chips no pueden pagar, o no quieren pagar, los últimos chips; un automóvil típico hoy en día usa docenas de microchips, mientras que un vehículo eléctrico usa muchos más. Se suma rápidamente. En cambio, los fabricantes de cosas como los automóviles se han quedado con chips fabricados con tecnologías más antiguas.

Además, muchos de los productos electrónicos más populares de la actualidad simplemente no requieren chips de última generación. No tiene sentido poner, por ejemplo, un chip A14 [iPhone y iPad] en cada una de las computadoras que tenemos en el mundo, dice Hassan Khan, exinvestigador doctoral en la Universidad Carnegie Mellon que estudió las implicaciones de política pública de el final de la Ley de Moore y actualmente trabaja en Apple. No lo necesita en su termómetro inteligente en casa, y no necesita 15 de ellos en su automóvil, porque consume mucha energía y es muy costoso.

El problema es que aunque más usuarios confían en tecnologías de chips más antiguas y baratas, los gigantes de la industria de los semiconductores se han centrado en construir nuevas fábricas de vanguardia. TSMC, Samsung e Intel han anunciado recientemente miles de millones de dólares en inversiones para las últimas instalaciones de fabricación. Sí, son caros, pero ahí es donde están las ganancias, y durante los últimos 50 años, ha sido donde está el futuro.

TSMC, el fabricante por contrato de chips más grande del mundo, obtuvo casi el 60 % de sus ingresos de 2020 de la fabricación de chips de vanguardia con características de 16 nanómetros y más pequeños, incluido el chip M1 de Apple fabricado con el proceso de fabricación de 5 nanómetros.

Lo que empeora el problema es que nadie está construyendo equipos de fabricación de semiconductores para admitir tecnologías más antiguas, dice Dale Ford, analista jefe de la Asociación de la Industria de Componentes Electrónicos, una asociación comercial con sede en Alpharetta, Georgia. Y entonces estamos como atrapados entre la espada y la pared aquí.

fichas de gama baja

Todo esto es importante para los usuarios de tecnología no solo por la interrupción del suministro que está causando hoy, sino también porque amenaza el desarrollo de muchas innovaciones potenciales. Además de ser más difíciles de conseguir, los chips comerciales más baratos también se están volviendo relativamente más caros, ya que cada generación de chips ha requerido equipos e instalaciones más costosos que las generaciones anteriores.

Algunos productos de consumo simplemente exigirán chips más potentes. La construcción de redes móviles 5G más rápidas y el auge de las aplicaciones informáticas que dependen de velocidades 5G podrían obligar a invertir en chips especializados diseñados para equipos de red que se comuniquen con docenas o cientos de dispositivos conectados a Internet. Las características automotrices, como los sistemas avanzados de asistencia al conductor y los sistemas de información y entretenimiento en el vehículo, también pueden beneficiarse de los chips de vanguardia, como lo demuestra el fabricante de vehículos eléctricos. Asociaciones reportadas de Tesla con TSMC y Samsung en el desarrollo de chips para futuros autos sin conductor.

Pero comprar los últimos chips de vanguardia o invertir en diseños de chips especializados puede no ser práctico para muchas empresas cuando desarrollan productos para un futuro de inteligencia en todas partes. Es poco probable que los fabricantes de dispositivos de consumo, como una máquina sous vide habilitada para Wi-Fi, gasten el dinero para desarrollar chips especializados por su cuenta con el fin de agregar características aún más sofisticadas, dice Kanter. En cambio, es probable que recurran a cualquier chip fabricado con tecnologías más antiguas que puedan proporcionar.

La mayoría de los clientes de chips de hoy en día se las arreglan con los chips básicos más baratos que representan una compensación entre costo y rendimiento.

Y los artículos de menor costo, como la ropa, dice, tienen márgenes muy estrechos que dejan poco margen de maniobra para chips más caros que agregarían un dólar, y mucho menos $10 o $20, al precio de cada artículo. Eso significa que el aumento del precio de la potencia informática puede impedir el desarrollo de ropa que podría, por ejemplo, detectar y responder a comandos de voz o cambios en el clima.

El mundo probablemente pueda vivir sin máquinas sous vide más sofisticadas, pero la falta de chips cada vez más baratos y potentes tendría un costo real: el fin de una era de invenciones impulsada por la Ley de Moore y su promesa de décadas de poder computacional cada vez más asequible. estará disponible para la próxima innovación.

La mayoría de los clientes de chips de hoy se conforman con los chips básicos más baratos que representan una compensación entre costo y rendimiento. Y es el suministro de tales chips de productos básicos lo que parece estar lejos de ser adecuado a medida que crece la demanda mundial de poder de cómputo.

Sigue aumentando el uso de semiconductores en los vehículos, el uso de semiconductores en su horno tostador y para todo tipo de cosas está aumentando, dice Willy Shih, profesor de prácticas de gestión en la Escuela de Negocios de Harvard. Entonces, la pregunta es, ¿dónde va a golpear la escasez a continuación?

Una preocupación mundial

A principios de 2021, el presidente Joe Biden firmó una orden ejecutiva que ordenaba revisiones de la cadena de suministro por fichas y apoyó un impulso bipartidista en el Congreso para aprobar al menos $ 50 mil millones para la fabricación e investigación de semiconductores . Biden también celebró dos cumbres en la Casa Blanca con líderes de las industrias automotriz y de semiconductores, incluida una reunión el 12 de abril durante la cual exhibió de manera destacada una oblea de silicio.

Las acciones no resolverán el desequilibrio entre la demanda y la oferta de chips en el corto plazo. Pero, como mínimo, dicen los expertos, la crisis actual representa una oportunidad para que el gobierno de EE. UU. intente finalmente arreglar la cadena de suministro y revertir la desaceleración general en la innovación de semiconductores, y tal vez reforzar la capacidad de EE. UU. para fabricar los chips que tanto se necesitan.

Se estima que el 75% de toda la capacidad de fabricación de chips se encontraba en el este de Asia a partir de 2019, con una participación de EE. UU. en aproximadamente el 13%. Solo TSMC de Taiwán tiene casi el 55% del mercado de fundición que maneja pedidos de fabricación de chips de consumo.

Se cierne sobre todo la rivalidad entre Estados Unidos y China. La empresa campeona nacional de China, SMIC, ha estado construyendo fábricas que todavía están cinco o seis años por detrás de la vanguardia en tecnologías de chips. Pero es posible que las fundiciones chinas puedan ayudar a satisfacer la demanda mundial de chips construidos en nodos más antiguos en los próximos años. Dados los subsidios estatales que reciben, es posible que las fundiciones chinas sean los fabricantes de menor costo, ya que levantan fábricas en los nodos de 22 y 14 nanómetros, dice Khan. Es posible que las fábricas chinas no sean competitivas en la frontera, pero podrían satisfacer una porción creciente de la demanda.

No estamos preparados para el fin de la Ley de Moore

Ha alimentado la prosperidad de los últimos 50 años. Pero el final ya está a la vista.

La industria global de semiconductores necesitará casi duplicar la capacidad general para 2030 para mantener el ritmo de la demanda, según la Asociación de la Industria de Semiconductores (SIA), un grupo industrial con sede en Washington, que ha abogado por fortalecer la cadena de suministro global en lugar de intentar construir capacidad de fabricación nacional totalmente autosuficiente.

Pero en un guiño a la importancia de los chips avanzados para la seguridad nacional y la infraestructura crítica, la SIA sugiere que EE. UU. proporcione incentivos impulsados ​​por el mercado para que las empresas construyan dos o tres nuevas fábricas de vanguardia a nivel nacional. Eso podría ayudar a garantizar que las redes de telecomunicaciones y los centros de datos centrales de la nación, junto con el ejército de los EE. UU., tengan un suministro nacional de chips.

Las sesiones fotográficas de la Casa Blanca con el presidente recordaron el papel que ha desempeñado el gobierno desde los albores de la industria de los semiconductores que dio su nombre a Silicon Valley. Hacer ese frente y centro no es algo de lo que el presidente ha hablado de esa manera desde Ronald Reagan, dice Margaret O'Mara, historiadora de la Universidad de Washington en Seattle. Biden sentado allí agitando una oblea, no creo haber visto eso en una mano presidencial nunca.

El gobierno de EE. UU. se convirtió en el primer capitalista de riesgo del Valle, y quizás el más grande, escribió O'Mara en su libro de 2019 El código: Silicon Valley y la reconstrucción de América . Los grandes pedidos gubernamentales de chips para suministrar el programa Apolo de la NASA y los misiles balísticos intercontinentales Minuteman del ejército alentaron a los fabricantes de chips a comenzar la producción en masa y ayudaron a reducir el costo de los primeros chips de silicio de $ 1,000 cada uno en 1960 a solo $ 25 en 1965.

La caída de precios hizo que el poder de cómputo fuera asequible para muchos más allá de las agencias gubernamentales adineradas. Inició la era dorada de la Ley de Moore, en la que los clientes cosecharon los beneficios de chips más baratos que también ofrecían un mejor rendimiento cada pocos años. Y es posible que no supiera que su promesa estaba en peligro si todo lo que tuviera que hacer fuera el último anuncio de Apple.

Mientras entrevistaba a O'Mara para esta historia, un repartidor apareció en su puerta como si fuera una señal.

Hablando de chips, me acaban de entregar mi computadora nueva, dijo riendo. Sí, tengo mi nueva MacBook con mi chip M1.

jeremy hsu es un periodista de tecnología y ciencia con sede en la ciudad de Nueva York.

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